以高灵敏为特征的氧化钒非致冷红外探测器的应用

以高灵敏为特征的氧化钒非致冷红外探测器的应用

作者：张乔乔高丹

来源：《科技创新与应用》2016年第04期

摘要：氧化钒非致冷红外探测器属于第三代红外探测器，它广泛应用于工业、农业、国防、医疗、交通等诸多领域，具有体积小、质量轻、功耗低、非致冷的优势，研究学者在多年来都致力于提升该非致冷红外探测器的灵敏度，并通过制备高电阻温度系数的氧化钒薄膜、掺氮氧化钒薄膜和黑金吸收层，提高非致冷红外探测器的性能。文章从氧化钒非致冷红外探测器的工作原理、构造、材料制备、器件性能和测试等方面进行探讨，并论述其发展前景。

关键词：氧化钒；非致冷；红外探测器；高灵敏；器件

1 微机电系统和非致冷红外探测器概述

微机电系统主要是依据微机电和电化学方法而实现的，其核心元件包括：传感单元和信号传输单元，由这些核心元件制成的传感器可以传感一些生物、化学、物理的参量存在和强度，具有灵敏、准确地测量最小样品量的优点，它们成批地应用于工业领域，常用的传感器有：光传感器、生物传感器、化学传感器、压力传感器，而文章研究的是基于微机电系统中微加工技术的非致冷红外传感器。

非致冷红外探测器广泛应用于军事和商务领域，成为了一种高需求技术，它通过微测辐射热实现传感功能，吸收红外能量大小有关的器件温度变化而引起的电参数的变化实现探测，由于它不是红外直接探测，因而在具有更小的尺寸、更低的功耗的优势之下，还有更长的响应延续时间，非致冷红外探测器的高性能和低功耗优势，使其在市场研发上达到很高的阵列：

50um×50um和25um×25um像元尺寸，噪声等效温差可以低于30mK。伴随着非致冷技术的发展，许多致冷型探测器的红外成像系统也开始运用非致冷探测器阵列，在更高性能的红外成像平台上发挥作用。

2 非致冷红外探测器的理论基础

2.1 微测辐射热计理论

微测辐射热计是电阻性光敏元，当它接收到红外辐射时，光敏材料的温度增高，电阻即发生变化，电路就可以探测到相应电阻变化引起的微弱电流变化，实现探测。其探测器的像元膜可以选择不同的氮化硅、二氧化硅和氧化钒热敏电阻材料，以氧化钒热敏电阻材料为例：假设微测辐射热计光敏材料的温度在吸收红外辐射后变化值为△T，氧化钒薄膜电阻变化值为

△R，它们之间的关系式表达为：△R=R△T。

α为电阻温度系数，则有下列关系表达式：△R=αR△T。（如图1所示）

2.2 离子束溅射原理

离子束溅射技术源于考夫曼离子火箭发动机原理，它可以实施对离子束的大小和方向的可控状态，避免了对氧化钒薄膜的玷污。该技术有两个离子源：一个是用于聚焦；一个是用于清洗，该装置是正方体结构，在中间旋转轴的作用下可以任意旋转靶材架，同时在衬底附近没有等离子体，不会使衬底温度过高。利用离子束溅射和后退火两步法可以制备出具有较高电阻温度系数的氧化钒薄膜，具有较高的应用性能。

2.3 磁控溅射技术原理

在制备氧化钒薄膜的过程中，要有适宜的电学性能，还要与红外焦平面后续的工艺具有兼容性，对于提高氧化钒薄膜电学性能的途径，目前研究学界认为主要控制后退火工艺或在溅射时提高淀积温度，而磁控溅射技术则可以相对降低衬底温度，进行氧化钒薄膜的制备。另外，还可以在磁控溅射技术制备过程中引入少量的氮气，制备出具有高电阻温度系数的掺氮氧化钒薄膜，氮气的增加在允许范围内可以提高氧化钒薄膜电阻，然而填充的氮气过多，则又会导致制备出的薄膜为氮氧化钒，不符合标准，同时，氮的含量掺入过高，又会导致钒靶出现氮化现象，使薄膜出现异常。然后，通过将合适氮气充入条件下制备而成的薄膜，集成在微测辐射热计中，其测试效果良好，说明磁控溅射技术制备出的薄膜具有良好的探测器兼容性，可以适用于探测器热敏层。

3 提升高灵敏度非致冷红外探测器性能的途径

3.1 有效延长桥腿长度，快速降低热导效应

光敏材料在理论上会对所接收的热辐射全部吸收，而实际上却有部分的热损失。根据非致冷红外探测器的热导方式可知，具体用于热导减小的方法有：采用阵列式结构减少与空气对流的热导、进行真空封装减少与空气对流的热导、减少桥腿和衬底之间的热绝缘面积而减少热导。其中主要的热导因素是桥腿长度、材料厚度和与衬底接触的截面积，可以有效地通过延长桥腿长度，而减少热导。

3.2 提高填充系数，增加热导吸收

从理论而言，提高填充系数的意义是可以提高探测能力，目前，光子探测器的填充系数可以达到100%，而非致冷红外探测器却在30%以上，少数能够超过60%。当前，可以通过体硅工艺和表面工艺提高填充系数。

3.3 提高热敏薄膜的电阻温度系数

这是红外探测器中的一个重要测量参数，由于氧化钒材料自身就具备较高的负电阻温度系数，它的大小可以直接影响到探测器的灵敏度，其值越高，则探测器的灵敏度越高，其值越低，则探测器的灵敏度越低。因此，氧化钒材料极其适合于用作红外探测器的热敏材料。在具体制备过程中，可以从两个方面提升氧化钒薄膜的电阻温度系数：其一，还原混合相氧化钒薄膜中钒的氧化物，将其还原成纯的二氧化钒结构；其二，制备具有金属掺杂特性的钒金属靶材。

3.4 选择适宜的吸收层，提高吸收效率

在红外吸收中常用的红外吸收材料有：黑金、黑镍、合金等薄膜，随着材料科学的发展，氧化铝薄膜也进入了研究者的视线，它以其高透射性、化学稳定性、高绝缘性的化学物理特质，而应用于红外吸收的生活和工业各个领域。

3.5 采取真空封装，制备红外探测器

进行真空封装需要适宜的匹配设计和工艺加工流程：（1）器件级封装；（2）系统封装。封装过程主要采用真空回流焊工艺和真空电阻焊工艺，期间要注意的事项有：空腔的透过属性、密封质量和热传导环境等。

4 结束语

基于MEMS技术和光电子技术之下，非致冷红外探测传感器的性能成为研究学界的热点问题，通过对传感材料的设计、原理应用和器件制备、测试等过程，可以提高氧化钒非致冷红外探测器的性能，并以“微测辐射热计”理论、离子束溅射原理、磁控溅射技术原理为技术基础，制备出高灵敏度、兼容性好、粘附性强的红外探测氧化钒薄膜，并探究非致冷红外探测器的性能提升路径。然而，在非致冷红外探测的研究之中，仍需进一步论证如何降低制备温度、延长薄膜的存储时效性和耐老性能等。

参考文献

[1]陈涛.具有相变特性的氧化钒薄膜制备与光学特性研究[D].天津大学，2011.

[2]罗振飞.氧化钒薄膜的制备及其电学、光学特性研究[D].电子科技大学，2012.